KR20200101712A - 열전 레그 및 이를 포함하는 열전 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그는 제1 금속층, 상기 제1 금속층 상에 배치된 열전소재층, 그리고 상기 열전소재층 상에 배치된 제2 금속층을 포함하고, 상기 제1 금속층의 양면 중 상기 열전소재층을 향하여 배치된 면과 상기 제2 금속층의 양면 중 상기 열전소재층을 향하여 배치된 면에는 산술평균 거칠기(Ra)가 7㎛ 이상인 요철이 형성된다.
Description
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전 소자에 포함되는 열전 레그에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 레그와 N형 열전 레그를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전 소자는 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.
열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
한편, 열전 레그를 전극에 안정적으로 접합하기 위하여 열전 레그와 전극 사이에 솔더층이 배치될 수 있다. 이때, 솔더층이 열전 레그 내로 확산되는 것을 방지하기 위하여, 열전 레그의 양단에 금속층이 더 배치될 수 있다. 그리고, 열전 레그 내 반도체 재료와 금속층 간의 반응에 의하여 열전성능이 저하되는 현상을 방지하고, 금속층의 산화를 방지하기 위하여, 열전 레그와 금속층 사이에는 도금층이 형성될 수 있다.
다만, 금속층, 도금층 및 열전 소재층을 동시에 소결할 경우, 금속층과 도금층 사이 또는 도금층과 열전 소재층 사이가 박리될 가능성이 높으며, 이로 인하여 열전 소자의 성능이 저하될 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전 성능이 우수한 열전 소자 및 이에 포함되는 열전 레그를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그는 제1 금속층, 상기 제1 금속층 상에 배치된 열전소재층, 상기 열전소재층 상에 배치된 제2 금속층을 포함하고, 상기 제1 금속층의 양면 중 상기 열전소재층을 향하여 배치된 면과 상기 제2 금속층의 양면 중 상기 열전소재층을 향하여 배치된 면에는 산술평균 거칠기(Ra)가 7㎛ 이상인 요철이 형성된다.
상기 요철의 최대높이 거칠기(Ry)는 20㎛ 이하일 수 있다.
상기 요철의 평균 간격은 7㎛ 이하일 수 있다.
상기 제1 금속층의 양면 중 상기 열전소재층을 향하여 배치된 면과 상기 제2 금속층의 양면 중 상기 열전소재층을 향하여 배치된 면 각각은 임의로 구분된 복수의 영역을 포함하고, 상기 복수의 영역 각각에는 산술평균 거칠기가 7㎛ 이상인 요철이 형성될 수 있다.
상기 요철은 전사 또는 스탬핑을 통하여 형성될 수 있다.
상기 제1 금속층과 상기 열전소재층 사이에는 제1 도금층이 더 배치되고, 상기 제2 금속층과 상기 열전소재층 사이에는 제2 도금층이 더 배치되며, 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층 각각의 표면 거칠기는 상기 제1 도금층과 상기 제2 도금층 각각의 표면 거칠기보다 클 수 있다.
상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층은 구리, 구리 합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로부터 선택되고, 상기 제1 도금층 및 상기 제2 도금층은 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나의 금속을 포함하며, 상기 열전소재층은 Bi 및 Te를 포함할 수 있다.
상기 제1 도금층 및 상기 열전소재층 사이에 배치되고, Te 및 상기 제1 도금층에 포함된 적어도 하나의 금속을 포함하는 제1 버퍼층, 그리고 상기 제2 도금층 및 상기 열전소재층 사이에 배치되고, Te 및 상기 제2 도금층에 포함된 적어도 하나의 금속을 포함하는 제2 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 제1 전극, 그리고 상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 제2 전극을 포함하며, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 중 어느 하나는 제1 금속층, 상기 제1 금속층 상에 배치된 열전소재층, 그리고 상기 열전소재층 상에 배치된 제2 금속층을 포함하고, 상기 제1 금속층의 양면 중 상기 열전소재층을 향하여 배치된 면과 상기 제2 금속층의 양면 중 상기 열전소재층을 향하여 배치된 면에는 산술평균 거칠기(Ra)가 7㎛ 이상인 요철이 형성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전 성능이 우수하며, 신뢰성이 높은 열전 소자를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전 레그 내 열전 소재층과 도금층 사이 및 열전 레그 내 도금층과 금속층 사이의 접합력이 높으므로, 열전 레그 내부가 박리되는 문제를 방지할 수 있다.
도 1은 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 3(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그의 단면도이고, 도 3(b)는 도 3(a)의 열전 레그를 포함하는 열전 소자의 단면도이다.
도 4(a)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 레그의 단면도이고, 도 4(b)는 도 4(a)의 열전 레그를 포함하는 열전 소자의 단면도이다.
도 5(a)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 레그의 단면도이고, 도 5(b)는 도 5(a)의 열전 레그를 포함하는 열전 소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 금속층의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 금속층 및 도금층의 단면도이다.
도 8은 도 6의 금속층에 형성된 요철의 산술평균 거칠기, 최대높이 거칠기 및 요철 간격을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 금속층에 형성된 요철이 규칙적인 패턴을 가짐을 설명하기 위한 도면이다.
도 3(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그의 단면도이고, 도 3(b)는 도 3(a)의 열전 레그를 포함하는 열전 소자의 단면도이다.
도 4(a)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 레그의 단면도이고, 도 4(b)는 도 4(a)의 열전 레그를 포함하는 열전 소자의 단면도이다.
도 5(a)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 레그의 단면도이고, 도 5(b)는 도 5(a)의 열전 레그를 포함하는 열전 소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 금속층의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 금속층 및 도금층의 단면도이다.
도 8은 도 6의 금속층에 형성된 요철의 산술평균 거칠기, 최대높이 거칠기 및 요철 간격을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 금속층에 형성된 요철이 규칙적인 패턴을 가짐을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1은 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 1내지 2를 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(120)과 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.
또는, 하부전극(120) 및 상부전극(150) 간 온도 차를 가해주면, 제벡 효과로 인하여 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 내 전하가 이동하며, 전기가 발생할 수도 있다.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Sb-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Se-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 포함할 수 있다.
P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(130) 또는 벌크형 N형 열전 레그(140)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.
이때, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그일 수 있다. 다결정 열전 레그를 위하여, 열전 레그용 분말을 소결할 때, 100MPa 내지 200MPa로 압축할 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)의 소결 시 열전 레그용 분말을 100 내지 150MPa, 바람직하게는 110 내지 140MPa, 더욱 바람직하게는 120 내지 130MPa로 소결할 수 있다. 그리고, N형 열전 레그(130)의 소결 시 열전 레그용 분말을 150 내지 200MPa, 바람직하게는 160 내지 195MPa, 더욱 바람직하게는 170 내지 190MPa로 소결할 수 있다. 이와 같이, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그인 경우, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 강도가 높아질 수 있다.
적층형 P형 열전 레그(130) 또는 적층형 N형 열전 레그(140)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 이때, 각 단위 부재는 개구 패턴을 가지는 전도성층을 더 포함할 수 있으며, 이에 따라 구조물 간의 접착력을 높이고, 열전도도를 낮추며, 전기전도도를 높일 수 있다.
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
이때, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 하나의 열전 레그 내에서 단면적이 상이하도록 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하나의 열전 레그 내에서 전극을 향하도록 배치되는 양 단부의 단면적이 양 단부 사이의 단면적보다 크게 형성될 수도 있다. 이에 따르면, 양 단부 간의 온도차를 크게 형성할 수 있으므로, 열전효율이 높아질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 열전성능 지수(figure of merit, ZT)로 나타낼 수 있다. 열전성능 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.
열전 소자의 열전성능 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 열전성능 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
여기서, 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 하부 전극(120) 또는 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, Cu, Al, Cu 합금, Al 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~1.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 1.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 절연층(170)이 더 형성될 수 있다. 절연층(170)은 5~20W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함하며, 0.01mm~0.35mm의 두께로 형성될 수 있다. 절연층(170)의 두께가 0.01mm 미만인 경우 절연 효율 또는 내전압 특성이 저하될 수 있고, 0.35mm를 초과하는 경우 열전전도도가 낮아져 방열효율이 떨어질 수 있다.
절연층(170)은 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 에폭시 수지 조성물로 이루어지거나, PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 실리콘 수지 조성물로 이루어져 하부 기판(110) 또는 상부 기판(160)과의 절연성, 접합력 및 방열성능 등을 향상시킬 수 있다.
여기서, 무기충전재는 절연층(170)의 68 내지 88vol%로 포함될 수 있다. 무기충전재가 68vol%미만으로 포함되면, 열전도 효과가 낮을 수 있으며, 무기충전재가 88vol%를 초과하여 포함되면 절연층(170)은 쉽게 깨질 수 있다.
그리고, 에폭시 수지는 에폭시 화합물 및 경화제를 포함할 수 있다. 이때, 에폭시 화합물 10 부피비에 대하여 경화제 1 내지 10 부피비로 포함될 수 있다. 여기서, 에폭시 화합물은 결정성 에폭시 화합물, 비결정성 에폭시 화합물 및 실리콘 에폭시 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 무기충전재는 산화알루미늄 및 질화물을 포함할 수 있으며, 질화물은 무기충전재의 55 내지 95wt%로 포함될 수 있으며, 더 좋게는 60~80wt% 일 수 있다. 질화물이 이러한 수치범위로 포함될 경우, 열전도도 및 접합 강도를 높일 수 있다. 여기서, 질화물은, 질화붕소 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이때, 질화붕소 응집체의 입자크기 D50은 250 내지 350㎛이고, 산화알루미늄의 입자크기 D50은 10 내지 30㎛일 수 있다. 질화붕소 응집체의 입자크기 D50과 산화알루미늄의 입자크기 D50이 이러한 수치 범위를 만족할 경우, 질화붕소 응집체와 산화알루미늄이 절연층(170) 내에 고르게 분산될 수 있으며, 이에 따라 절연층(170) 전체적으로 고른 열전도 효과 및 접착 성능을 가질 수 있다.
이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다. 바람직하게는, 하부기판(110)의 체적, 두께 또는 면적은 상부기판(160)의 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나 보다 더 크게 형성될 수 있다. 이때, 하부기판(110)은 제벡 효과를 위해 고온영역에 배치되는 경우, 펠티에 효과를 위해 발열영역으로 적용되는 경우 또는 후술할 열전모듈의 외부환경으로부터 보호를 위한 실링부재가 하부기판(110) 상에 배치되는 경우에 상부기판(160) 보다 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나를 더 크게 할 수 있다. 이때, 하부기판(110)의 면적은 상부기판(160)의 면적대비 1.2 내지 5배의 범위로 형성할 수 있다. 하부기판(110)의 면적이 상부기판(160)에 비해 1.2배 미만으로 형성되는 경우, 열전달 효율 향상에 미치는 영향은 높지 않으며, 5배를 초과하는 경우에는 오히려 열전달 효율이 현저하게 떨어지며, 열전모듈의 기본 형상을 유지하기 어려울 수 있다.
도시되지 않았으나, 하부기판(110) 및 상부기판(160) 중 적어도 하나에는 히트싱크가 배치될 수도 있다. 예를 들어, 하부기판(110)의 양면 중 하부 전극(120)이 배치되는 면의 반대면과 상부기판(160)의 양면 중 상부전극(150)이 배치되는 면의 반대면에는 히트싱크가 부착될 수 있다. 또는 히트싱크는 하부기판(110) 및 상부기판(160) 중 적어도 하나와 일체로 형성될 수도 있다.
하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 절연 기판인 경우, 알루미나 기판 또는 고분자 수지 기판일 수 있다. 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 레진(resin)과 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있으며, 유연성이 있을 수 있다.
고분자 수지 기판의 두께는 0.02 내지 0.6mm, 바람직하게는 0.1 내지 0.6mm, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 0.6mm일 수 있으며, 열전도도는 1W/mK이상, 바람직하게는 10W/mK이상, 더욱 바람직하게는 20W/mK 이상일 수 있다. 고분자 수지 기판의 두께가 이러한 수치범위를 만족할 경우, 고분자 수지 기판이 온도 변화에 따라 수축 및 팽창을 반복하더라도, 금속지지체와의 접합에는 영향을 미치지 않을 수 있다.
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나는 금속 기판이고, 다른 하나는 절연 기판일 수도 있다.
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다.
도시되지 않았으나, 하부기판(110)과 상부기판(160) 사이에는 실링부재가 더 배치될 수도 있다. 실링부재는 하부기판(110)과 상부기판(160) 사이에서 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)의 측면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)은 외부의 습기, 열, 오염 등으로부터 실링될 수 있다. 여기서, 실링부재는, 복수의 하부전극(120)의 최외곽, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)의 최외곽 및 복수의 상부전극(150)의 최외곽의 측면으로부터 소정 거리 이격되어 배치되는 실링 케이스, 실링 케이스와 하부 기판(110) 사이에 배치되는 실링재 및 실링 케이스와 상부 기판(160) 사이에 배치되는 실링재를 포함할 수 있다. 이와 같이, 실링 케이스는 실링재를 매개로 하여 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 접촉할 수 있다. 이에 따라, 실링 케이스가 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 직접 접촉할 경우 실링 케이스를 통해 열전도가 일어나게 되고, 결과적으로 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 간의 온도 차가 낮아지는 문제를 방지할 수 있다. 여기서, 실링재는 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나를 포함하거나, 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나가 양면에 도포된 테이프를 포함할 수 있다. 실링재는 실링 케이스와 하부 기판(110) 사이 및 실링 케이스와 상부 기판(160) 사이를 기밀하는 역할을 하며, 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)의 실링 효과를 높일 수 있고, 마감재, 마감층, 방수재, 방수층 등과 혼용될 수 있다. 여기서, 실링 케이스와 하부 기판(110) 사이를 실링하는 실링재는 하부 기판(110)의 상면에 배치되고, 실링케이스와 상부 기판(160) 사이를 실링하는 실링재는 상부기판(160)의 측면에 배치될 수 있다. 이를 위하여, 하부 기판(110)의 면적은 상부 기판(160)의 면적보다 클 수 있다. 한편, 실링 케이스에는 전극에 연결된 리드선(180, 182)를 인출하기 위한 가이드 홈이 형성될 수 있다. 이를 위하여, 실링 케이스는 플라스틱 등으로 이루어진 사출 성형물일 수 있으며, 실링 커버와 혼용될 수 있다. 다만, 실링부재에 관한 이상의 설명은 예시에 지나지 않으며, 실링부재는 다양한 형태로 변형될 수 있다. 도시되지 않았으나, 실링부재를 둘러싸도록 단열재가 더 포함될 수도 있다. 또는 실링부재는 단열 성분을 포함할 수도 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 열전 레그와 전극 간의 안정적인 결합을 위하여, 열전 레그의 양 면에 금속층을 형성하고자 한다.
도 3(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그의 단면도이고, 도 3(b)는 도 3(a)의 열전 레그를 포함하는 열전 소자의 단면도이며, 도 4(a)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 레그의 단면도이고, 도 4(b)는 도 4(a)의 열전 레그를 포함하는 열전 소자의 단면도이며, 도 5(a)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 레그의 단면도이고, 도 5(b)는 도 5(a)의 열전 레그를 포함하는 열전 소자의 단면도이다.
도 3(a) 및 3(b) 를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그(700)는 열전 소재층(710), 열전 소재층(710)의 한 면 측에 배치되는 제1 도금층(720), 열전 소재층(710)의 한 면과 대향하여 배치되는 다른 면 측에 배치되는 제2 도금층(730), 열전 소재층(710)과 제1 도금층(720) 사이에 배치되는 제1 버퍼층(740), 열전 소재층(710)과 제2 도금층(730) 사이에 배치되는 제2 버퍼층(750), 제1 도금층(720)과 제1 전극(120) 사이에 배치되는 제1 금속층(760) 및 제2 도금층(730)과 제2 전극(150) 사이에 배치되는 제2 금속층(770)을 포함한다.
즉, 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그(700)는 열전 소재층(710)을 중심으로 하부전극(120)을 향하여 제1 버퍼층(740), 제1 도금층(720) 및 제1 금속층(760)이 순차적으로 배치되고, 상부전극(150)을 향하여 제2 버퍼층(750), 제2 도금층(730) 및 제2 금속층(770)이 순차적으로 배치될 수 있다.
도 4(a) 및 4(b)를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 레그(700)는 열전 소재층(710)을 중심으로 하부전극(120)을 향하여 제1 도금층(720) 및 제1 금속층(760)이 순차적으로 배치되고, 상부전극(150)을 향하여 제2 도금층(730) 및 제2 금속층(770)이 순차적으로 배치될 수도 있다.
도 5(a) 및 5(b)를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 레그(700)는 열전 소재층(710)을 중심으로 하부전극(120)을 향하여 제1 금속층(760)이 배치되고, 상부전극(150)을 향하여 제2 금속층(770)이 배치될 수도 있다.
여기서, 열전 소재층(710)은 반도체 재료인 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 포함할 수 있다. 열전 소재층(710)은 도 1 내지 2에서 설명한 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 동일한 소재 또는 형상을 가질 수 있다.
그리고, 제1 금속층(760) 및 제2 금속층(770)은 구리(Cu), 구리 합금, 알루미늄(Al) 및 알루미늄 합금으로부터 선택될 수 있으며, 0.01 내지 0.5mm, 바람직하게는 0.05 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 제1 금속층(760) 및 제2 금속층(770)과 전극(120, 150) 간의 결합력이 높으므로, 열전 레그(700)는 전극(120, 150)과 안정적으로 결합할 수 있다.
다음으로, 제1 도금층(720) 및 제2 도금층(730)은 각각 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 1 내지 20㎛, 바람직하게는 1 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있다. 제1 도금층(720) 및 제2 도금층(730)은 열전 소재층(710) 내 반도체 재료인 Bi 또는 Te와 제1 금속층(760) 및 제2 금속층(770) 간의 반응을 막으므로, 열전 소자의 성능 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 금속층(760) 및 제2 금속층(770)의 산화를 방지할 수 있다. 제1 도금층(720) 및 제2 도금층(730) 각각은 제1 금속층(760) 및 제2 금속층(770) 각각 상에 도금될 수 있다.
다음으로, 제1 버퍼층(740) 및 제2 버퍼층(750)은 Te를 포함할 수 있으며, 제1 도금층(720) 및 제2 도금층(730)에 포함된 금속을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 버퍼층(740) 및 제2 버퍼층(750)은 Ni-Te, Sn-Te, Ti-Te, Fe-Te, Sb-Te, Cr-Te 및 Mo-Te 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 버퍼층(740) 및 제2 버퍼층(750) 각각의 두께는 1 내지 100㎛, 바람직하게는 1 내지 40㎛, 더욱 바람직하게는 1 내지 30㎛, 더욱 바람직하게는 1 내지 20㎛일 수 있다. 반응층의 두께가 100㎛를 초과할 경우, 저항 변화율은 급격하게 증가하며, 결과적으로 열전 소자의 열전 성능에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.
일반적으로, 열전 소재층(710)에 포함되는 반도체 재료 중 Te는 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나를 포함하는 제1 도금층(720) 및 제2 도금층(730)으로 확산되기 쉽다. 열전 소재층(710) 내 Te가 제1 도금층(720) 및 제2 도금층(730) 내로 확산되면, 열전 소재층(710)과 제1 도금층(720) 및 제2 도금층(730) 간의 경계 부근에는 Te에 비하여 Bi가 많이 분포하는 영역(이하, Bi 리치(rich) 영역이라 한다)이 생길 수 있다. Bi 리치 영역은 Te 푸어(poor) 영역이 될 수 있으며, Te 푸어 영역에서는 캐리어 농도가 낮아지게 되어 열전 레그(700) 내의 저항이 높아지며, 결과적으로 열전 소자의 성능 저하를 일으킬 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라 제1 버퍼층(740)이 열전 소재층(710)과 제1 도금층(720) 사이에 배치되고, 제2 버퍼층(750)이 열전 소재층(710)과 제2 도금층(730) 사이에 배치되면, 열전 소재층(710) 내 Te가 제1 도금층(720) 및 제2 도금층(730)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, Bi 리치 영역으로 인하여 열전소재층 내 전기 저항이 증가하는 문제를 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 금속층(760)의 양면 중 열전소재층(710)을 향하도록 배치된 면과 제2 금속층(770)의 양면 중 열전소재층(710)을 향하도록 배치된 면에는 요철이 형성될 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위하여, 제1 금속층(760)을 예로 들어 설명하지만, 동일한 구조가 제2 금속층(770)에도 적용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 금속층의 단면도이고, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 금속층 및 도금층의 단면도이며, 도 8은 도 6의 금속층에 형성된 요철의 산술평균 거칠기, 최대높이 거칠기 및 요철 간격을 설명하는 도면이다.
도 6 내지 7을 참조하면, 제1 금속층(760)의 양면 중 한 면, 즉 제1 도금층(720)이 배치되는 면에는 표면 거칠기, 즉 요철이 형성될 수 있다. 이에 따르면, 제1 금속층(770)과 제1 도금층(720) 간의 접촉 면적이 넓어지므로, 제1 금속층(760)과 제1 도금층(720) 간의 접합 성능이 높아질 수 있으며, 박리 가능성이 낮아질 수 있다. 이때, 요철 형상이 사각 형상인 것을 예로 들고, 있으나, 삼각 형상 등의 다각 형상이거나, 소정의 곡률을 가진 원 또는 타원 형상일 수도 있다.
이때, 요철은 음각으로 형성될 수 있다.
이때, 제1 금속층(760)에 형성된 요철의 산술평균 거칠기(Ra)는 7㎛ 이상, 바람직하게는 8㎛ 이상이고, 최대 높이 거칠기(Ry)는 20㎛ 이하이며, 요철의 평균 간격(d)은 7㎛ 이하일 수 있다. 제1 금속층(760)에 형성된 요철의 산술평균 거칠기(Ra)는 7㎛ 미만이거나, 요철의 평균 간격(d)이 7㎛를 초과하면, 제1 금속층(770)과 제1 도금층(720) 간의 접촉 면적이 충분히 확보되지 않으므로, 제1 금속층(760)과 제1 도금층(720) 사이가 박리될 수 있다.
한편, 요철이 형성된 제1 금속층(770) 상에 제1 도금층(720)이 도금되며, 제1 도금층(720) 상에 열전 소재층(710)이 배치된 후 동시 소결될 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 도금층(720)의 두께는 1 내지 20㎛일 수 있다. 따라서, 제1 금속층(760)에 형성된 요철의 산술평균 거칠기(Ra)는 7㎛ 이상, 바람직하게는 8㎛ 이상일 경우, 제1 금속층(760)에 형성된 요철로 인하여 제1 도금층(720)의 양면 중 열전소재층(710)이 형성되는 면에도 요철이 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 도금층(720)과 열전소재층(710) 간의 접촉 면적이 넓어지므로, 제1 도금층(720)과 열전소재층(710) 간의 접합 성능이 높아질 수 있으며, 박리 가능성이 낮아질 수 있다. 다만, 제1 금속층(760)에 형성된 요철의 최대 높이 거칠기(Ry)가 20㎛를 초과할 경우, 제1 금속층(760)의 양면 중 제1 도금층(720)이 배치되는 면의 배면이 돌출될 수 있을 뿐만 아니라, 제1 금속층(760)의 양면 중 제1 도금층(720)이 배치되는 면에서도 제1 도금층(720)보다 높게 형성되는 영역이 발생할 수 있다. 이때, 제1 도금층(720)은 제1 금속층(760) 상에 도금되므로, 제1 금속층(760)의 양면 중 제1 도금층(720)이 배치된 면의 표면 거칠기는 제1 도금층(720)의 양면 중 열전소재층(710)을 향하는 면의 표면 거칠기보다 클 수 있다.
여기서, 표면거칠기는 표면거칠기 측정기를 이용하여 측정될 수 있다. 표면거칠기 측정기는 탐침을 이용하여 단면 곡선을 측정하며, 단면 곡선의 산봉우리선, 골바닥선, 평균선 및 기준길이를 이용하여 표면거칠기를 산출할 수 있다.
산술평균 거칠기(Ra)는 중심선 평균 산출법에 의해 산출되며, 아래 수학식 2를 통하여 얻어질 수 있다.
즉, 도 8(a)에 예시된 바와 같이, 표면거칠기 측정기의 탐침을 얻은 단면 곡선을 기준길이 L만큼 뽑아내어 평균선 방향을 x축으로 하고, 높이 방향을 y축으로 하여 도 8(b)에 도시된 바와 같이 함수(f(x))로 표현하였을 때, 수학식 2에 의하여 구해지는 값을 ㎛미터로 나타낼 수 있다.
그리고, 최대 높이 거칠기(Ry)는 도 8(a)에 예시된 바와 같이, 표면거칠기 측정기의 탐침을 얻은 단면 곡선을 기준길이 L만큼 뽑아내어 평균선 방향으로 x축으로 하고, 높이 방향을 y 축으로 하여 최대 산봉우리선(Rp) 및 최소 골바닥선(Rv)의 합(Rp+Rv)에 의하여 구해지는 값을 ㎛로 나타낼 수 있다.
그리고, 요철의 평균 간격은 도 8(a)에 예시된 바와 같이, 표면거칠기 측정기의 탐침을 얻은 단면 곡선을 기준길이 L만큼 뽑아내어 평균선 방향으로 x축으로 하고, 높이 방향을 y 축으로 한 후, 이웃하는 산봉우리 간의 x축 방향의 거리의 평균으로 나타낼 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 금속층(760)에 형성된 요철은 규칙적인 패턴을 가질 수 있다. 여기서, 규칙적인 패턴은 제1 금속층(760)의 양면 중 요철이 형성된 면의 전체 영역에 대하여 고른 산술평균 거칠기(Ra), 최대 높이 거칠기(Ry) 및 요철의 평균 간격(d)을 가지는 것을 의미할 수 있다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 금속층에 형성된 요철이 규칙적인 패턴을 가짐을 설명하기 위한 도면이다. 도 9(a) 및 도 9(b)에 예시된 바와 같이, 제1 금속층(760)의 양면 중 요철이 형성된 면은 임의로 구분된 복수의 영역을 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 영역은 2개의 영역, 바람직하게는 4개의 영역, 더욱 바람직하게는 8개의 영역일 수 있으며, 물리적으로 구분된 영역이 아니라 표면거칠기를 측정하기 위하여 가상의 선에 의하여 임의로 구분된 영역일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 도 9(a) 및 도 9(b)에 예시된 바와 같이, 복수의 영역(760-1, 760-2, 760-3, 760-4) 각각에는 산술평균 거칠기(Ra)는 7㎛ 이상, 바람직하게는 8㎛ 이상이고, 최대 높이 거칠기(Ry)는 20㎛ 이하이며, 평균 간격(d)은 7㎛ 이하인 요철이 형성될 수 있다. 또는, 복수의 영역(760-1, 760-2, 760-3, 760-4)에 대한 산술평균 거칠기(Ra), 최대 높이 거칠기(Ry) 또는 평균 간격(d)의 평균 값을 기준으로, 각 영역(760-1, 760-2, 760-3, 760-4)의 산술평균 거칠기(Ra), 최대 높이 거칠기(Ry) 또는 평균 간격(d)은 10% 이내, 바람직하게는 5%이내, 더욱 바람직하게는 3% 이내, 더욱 바람직하게는 1%이내의 오차 범위를 가질 수 있다. 예를 들어, 복수의 영역(760-1, 760-2, 760-3, 760-4)에 대한 산술평균 거칠기(Ra)의 평균 값이 8㎛인 경우, 각 영역(760-1, 760-2, 760-3, 760-4)에 대한 산술평균 거칠기(Ra)는 7.2 내지 8.8㎛, 바람직하게는 7.6 내지 8.4㎛, 더욱 바람직하게는 7.76 내지 8.24㎛, 더욱 바람직하게는 7.92 내지 8.08㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 이와 같이, 제1 금속층(760)에 형성된 요철이 규칙적인 패턴을 가질 경우, 제1 금속층(760)의 전체 영역에서 제1 도금층(720)과의 접합력 및 열전소재층(710)과의 접합력이 고르게 나타나므로, 박리 가능성을 줄일 수 있다.
일반적으로, 요철은 금속층의 표면을 전해 에칭하는 방법에 의하여 형성될 수 있다. 다만, 금속층의 종류에 따라 에칭액에 대한 반응성이 상이하므로, 표면거칠기를 제어하는 것이 어려울 수 있다. 예를 들어, 금속층이 알루미늄으로 이루어진 기판이라고 할지라도, 알루미늄층의 열처리 온도 및 열처리 시간에 따라 알루미늄층의 경도 및 결정립의 크기가 달라질 수 있으며, 알루미늄층의 경도 및 결정립의 크기 등에 따라 에칭액에 대한 반응성이 상이할 수 있다. 예를 들어, 결정립계 주위로 에칭액이 우선적으로 반응하므로, 결정립이 작을수록 표면 거칠기가 크게 형성될 수 있으며, 결정립이 클수록 표면 거칠기가 작게 형성될 수 있다. 또한, 전해 에칭하는 환경 및 조건 등에 따라 하나의 금속층 내에서도 불규칙한 패턴이 형성될 수도 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에서는 전사 또는 스탬핑을 통하여 요철을 형성할 수 있다. 즉, 전사 공정 또는 스탬핑 공정을 이용하면, 산술평균 거칠기(Ra), 최대 높이 거칠기(Ry) 및 평균 간격(d)을 용이하게 제어할 수 있으며, 규칙적인 패턴을 형성할 수 있다.
이하, 비교예 및 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄기판의 요철 제어 성능 및 박리 가능성을 테스트한 결과를 설명한다.
먼저, 100mm*100mm의 면적을 가지고 두께가 50㎛인 3종의 알루미늄기판을 마련하였다. 여기서, 3종의 알루미늄기판은 H18, H14 및 H24이며, H18은 strain hardened only 조건에서 가공되어 Full hard의 강도를 가지는 알루미늄 기판이고, H14는 strain harded only 조건에서 가공되어 1/2 hard의 강도를 가지는 기판이며, H24는 strain hardened and partial annealed 조건에서 가공되어 1/2 hard의 강도를 가지는 기판이다. 결정립의 크기는 H18이 H14 및 H24보다 크고, H14와 H24는 거의 유사하다.
동일한 조건으로 알루미늄기판의 종류 별로 14개의 샘플에 대하여 전해 에칭을 수행한 결과, H18의 산술평균 거칠기는 4.19 내지 8.69㎛로 분포되었고, H14의 산술평균 거칠기는 6.05 내지 12.51㎛ 분포되었으며, H24의 산술평균 거칠기는 10.65 내지 13.2㎛로 분포되었다. 이에 따라, 전해 에칭을 이용할 경우, 표면거칠기를 원하는 수준으로 균일하게 제어하는 것이 어려움을 알 수 있다.
다음으로, 100mm*100mm의 면적을 가지고 두께가 50㎛인 3종의 알루미늄기판을 마련하였다. 여기서, 3종의 알루미늄기판은 H18, H14 및 H24이다. H18 12매에 대하여 스탬핑 공정을 이용하여 산술평균 거칠기 4.92㎛의 요철을 형성하였고, 6매에 대하여 산술평균 거칠기 7.26㎛의 요철을 형성하였으며, 2매에 대하여 산술평균 거칠기 7.54㎛의 요철을 형성하였다. 그리고, H24 6매에 대하여 산술평균 거칠기 12.22㎛의 요철을 형성하였으며, H14 6매에 대하여 산술평균 거칠기 8.41㎛의 요철을 형성하였다. 이와 같이, 스탬핑 공정을 이용할 경우, 산술평균 거칠기를 원하는 수준으로 제어하는 것이 용이함을 알 수 있다.
또한, 각 알루미늄기판을 열전소재층과 동시 소결한 후 박리 강도를 테스트하였다. 그 결과, 산술평균 거칠기 4.92㎛의 요철을 가지는 12매의 H18 중 8매가 열전소재층으로부터 박리되었으나, 산술평균 거칠기가 7㎛ 이상인 나머지 알루미늄 기판들은 열전소재층으로부터 박리되지 않았다.
이로부터, 본 발명의 실시예에 따르면, 금속층과 열전소재층 간의 접합 강도가 높은 열전 레그를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 주로 광통신 모듈, 센서, 의료 기기, 측정 기기, 항공 우주 산업, 냉장고, 칠러(chiller), 자동차 통풍 시트, 컵 홀더, 세탁기, 건조기, 와인셀러, 정수기, 센서용 전원 공급 장치, 서모파일(thermopile) 등에 적용될 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 예로, PCR(Polymerase Chain Reaction) 기기가 있다. PCR 기기는 DNA를 증폭하여 DNA의 염기 서열을 결정하기 위한 장비이며, 정밀한 온도 제어가 요구되고, 열 순환(thermal cycle)이 필요한 기기이다. 이를 위하여, 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 다른 예로, 광 검출기가 있다. 여기서, 광 검출기는 적외선/자외선 검출기, CCD(Charge Coupled Device) 센서, X-ray 검출기, TTRS(Thermoelectric Thermal Reference Source) 등이 있다. 광 검출기의 냉각(cooling)을 위하여 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다. 이에 따라, 광 검출기 내부의 온도 상승으로 인한 파장 변화, 출력 저하 및 해상력 저하 등을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 면역 분석(immunoassay) 분야, 인비트로 진단(In vitro Diagnostics) 분야, 온도 제어 및 냉각 시스템(general temperature control and cooling systems), 물리 치료 분야, 액상 칠러 시스템, 혈액/플라즈마 온도 제어 분야 등이 있다. 이에 따라, 정밀한 온도 제어가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 예로, 별 추적 시스템, 열 이미징 카메라, 적외선/자외선 검출기, CCD 센서, 허블 우주 망원경, TTRS 등이 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 온도를 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다.
이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 기타 산업 분야에 발전, 냉각 및 온열을 위하여 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 열전 소자
110: 하부 기판
120: 하부 전극
130: P형 열전 레그
140: N형 열전 레그
150: 상부 전극
160: 상부 기판
700: 열전레그
710: 열전 소재층
720, 730: 도금층
740, 750: 버퍼층
760, 770: 금속층
110: 하부 기판
120: 하부 전극
130: P형 열전 레그
140: N형 열전 레그
150: 상부 전극
160: 상부 기판
700: 열전레그
710: 열전 소재층
720, 730: 도금층
740, 750: 버퍼층
760, 770: 금속층
Claims (9)
- 제1 금속층,
상기 제1 금속층 상에 배치된 열전소재층, 그리고
상기 열전소재층 상에 배치된 제2 금속층을 포함하고,
상기 제1 금속층의 양면 중 상기 열전소재층을 향하여 배치된 면과 상기 제2 금속층의 양면 중 상기 열전소재층을 향하여 배치된 면에는 산술평균 거칠기(Ra)가 7㎛ 이상인 요철이 형성된 열전레그. - 제1항에 있어서,
상기 요철의 최대높이 거칠기(Ry)는 20㎛ 이하인 열전레그. - 제2항에 있어서,
상기 요철의 평균 간격은 7㎛ 이하인 열전레그. - 제1항에 있어서,
상기 제1 금속층의 양면 중 상기 열전소재층을 향하여 배치된 면과 상기 제2 금속층의 양면 중 상기 열전소재층을 향하여 배치된 면 각각은 임의로 구분된 복수의 영역을 포함하고,
상기 복수의 영역 각각에는 산술평균 거칠기가 7㎛ 이상인 요철이 형성된 열전레그. - 제1항에 있어서,
상기 요철은 전사 또는 스탬핑을 통하여 형성된 열전레그. - 제1항에 있어서,
상기 제1 금속층과 상기 열전소재층 사이에는 제1 도금층이 더 배치되고, 상기 제2 금속층과 상기 열전소재층 사이에는 제2 도금층이 더 배치되며,
상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층 각각의 표면 거칠기는 상기 제1 도금층과 상기 제2 도금층 각각의 표면 거칠기보다 큰 열전레그. - 제1항에 있어서,
상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층은 구리, 구리 합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로부터 선택되고,
상기 제1 도금층 및 상기 제2 도금층은 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나의 금속을 포함하며,
상기 열전소재층은 Bi 및 Te를 포함하는 열전레그. - 제7항에 있어서,
상기 제1 도금층 및 상기 열전소재층 사이에 배치되고, Te 및 상기 제1 도금층에 포함된 적어도 하나의 금속을 포함하는 제1 버퍼층, 그리고
상기 제2 도금층 및 상기 열전소재층 사이에 배치되고, Te 및 상기 제2 도금층에 포함된 적어도 하나의 금속을 포함하는 제2 버퍼층
을 더 포함하는 열전레그. - 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 제1 전극, 그리고 상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 제2 전극을 포함하며,
상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 중 어느 하나는
제1 금속층,
상기 제1 금속층 상에 배치된 열전소재층, 그리고
상기 열전소재층 상에 배치된 제2 금속층을 포함하고,
상기 제1 금속층의 양면 중 상기 열전소재층을 향하여 배치된 면과 상기 제2 금속층의 양면 중 상기 열전소재층을 향하여 배치된 면에는 산술평균 거칠기(Ra)가 7㎛ 이상인 요철이 형성된 열전 소자.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| X091 | Application refused [patent] | ||
| AMND | Amendment | ||
| X601 | Decision of rejection after re-examination |